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INSTITUTOTECNOLÓGICO DE AERONÁUTICA
Laboratório de Plasmas e Processos
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➢ Qual a diferença entre Vapor e Gás?
➢ O que significa “Regime Fluido” de um gás/vapor?
➢ O que significa “Regime Molecular” de um gás/vapor?
➢ O que significa “Vazamento Virtual”?
➢ Quantas moléculas de gás estão contidas em uma câmara de 20 litros mantida a 10-7 Torr (T=0°C)?
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➢ Cinética dos Gases▪ Conceitos Vapor-Gás
▪ Molecular Impingement Flux (fluxo de impacto molecular)
▪ Livre Caminho Médio
▪ Número de Knudsen
▪ Regimes Molecular e Fluido
➢ Tecnologia de Vácuo▪ Sistema genérico de Vácuo
▪ Bombas de Vácuo
▪ Medidores de Pressão
▪ Cuidados e problemas
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Diagrama p-V-T:
➢ Superfícies representam estados de equilíbrio
➢ Seguir corte em T2:▪ b -> c: condensação a pressão constante (pv)
▪ DVb-c: variação do volume entre fase vapor e líquido
▪ Maiores T: menores DV
▪ Até que DV -> 0 no Ponto Crítico (PC) com T = Tc
➢ Cortes de temperatura com T abaixo de TC
▪ Vapor -> líquido -> sólido
➢ Cortes de temperatura com T acima de TC
▪ Gás
➢ Acima de TC, um material não pode ser condensado, passando a se chamar de GÁS
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Diagrama p-V-T projetado em P-T:
➢ Ponto Triplo (PT): 3 fases em equilíbrio
➢ T abaixo de PT: sublimação
➢ A linha delimitando a fase de vapor é conhecida por curva de pressão de vapor, ou curvas pv
➢ Crucial importância para deposição de filmes
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Fluxo de Impacto Molecular (Ji) em uma superfície:
➢ Definido como:
➢ Após Lei dos Gases Ideais e Distribuição de Boltzmann:
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mc = moléculasNA = Num. de AdogadroR = const. gases = 8.31 J/mol.KM = massa moléculas em kg
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Fluxo de Impacto Molecular (Ji) em uma superfície:
➢ Uma das mais importantes relações na Tecnologia de Filmes Finos
➢ É válida tanto no Regime Fluido como no Regime Molecular de vácuo
➢ Usada para calcular o fluxo de efusão através de um orifício (células de efusão do MBE)
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Fluxo de Impacto Molecular (Ji) em uma superfície:
➢ Se COEFICIENTE DE ADESÃO = 1 → Ji = Jr (fluxo de deposição molecular) → TAXA DE DEPOSIÇÃO (dh/dt)
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Fluxo de Impacto Molecular (Ji) em uma superfície:
➢ Se o COEFICIENTE DE ADESÃO = 1, esta relação leva diretamente à TAXA DE DEPOSIÇÃO (Ji = Jr):
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Fluxo de Impacto Molecular (Ji) em uma superfície:
➢ Exemplo: Se Ji = Jr , para depositar a 2,6 mm/h (2,4 monocamadas/s) → p = 10-8 atm = 10-5 Torr !!!
➢ Se seu gás residual (oxigênio, vapor de água, etc...) reage fácil com seu filme, para obter filme 99,9% puro @ 2,6 mm/h, sua pressão residual (condição de vácuo pré-deposição) deve ser 10-8 Torr (UHV) !!!
➢ Ainda bem que nem sempre é esse o caso!
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Definição:
➢ Distância média que uma partícula percorre entre duas colisões consecutivas com moléculas de um gás
➢ Caso do elétron em um gás (ve >> vgas):
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sm = seção de choque elástico médio (m2) (cap 9)n = concentração do gás (mc/m3)
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Definição:
➢ Distância média que uma partícula percorre entre duas colisões consecutivas com moléculas de um gás
➢ Caso do íon em um gás (vion >> vgas):
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n = concentração do gás (mc/m3)
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Definição:
➢ Distância média que uma partícula percorre entre duas colisões consecutivas com moléculas de um gás
➢ Caso da molécula em um gás (termalizado):
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n = concentração do gás (mc/m3)
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Resumindo:
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(elétron)
(íon)
(molécula/átomo)
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Simplificando:
Para T = 25 C (temperatura ambiente, e moléculas pequenas):
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𝑙 ∝1
𝑝
𝑙 𝑐𝑚 ≈1
𝑝 (𝑃𝑎)Exemplo: gás a 1 Pa (10-2 Torr) → l ~ 1 cm
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Definição:
➢ L = menor dimensão interna do sistema (largura, distância entre eletrodos, etc...)
➢ Kn > 1 → sistema está em regime molecular
➢ Kn < 0,01 → sistema está em regime fluido (viscoso)
➢ 0,01 ≤ Kn ≤ 1 → sistema está em regime de transição (intermediário)
Obs: Processos de deposição a plasma normalmente operam no regime de transição
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Definição:
➢ Regime Molecular (Kn > 1)▪ Colisões com as paredes do sistema dominam
➢ Regime Fluido (Kn << 1)▪ Colisões com as o gás dominam
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Resumindo:
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Resumindo:
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LV MV HV UHV
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Exercício:
➢ Considere uma câmara esférica de 20 litros mantida a 10-3 Torr (T=0°C):a. Quantas moléculas de ar estão presentes dentro da câmara?
b. Qual a densidade em moléculas/cm3 neste caso?
c. Qual o livre caminho médio destas moléculas?
d. O sistema se encontra em qual regime: fluido ou molecular?
e. Sua resposta para o item d mudaria ao considerar o gás entre dois eletrodos separados por 5 mm? Como?
Dados: volume molar dos gases = 22,4 L (CNTP), NAV = 6,02x1023
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Sistema típico de deposição:
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Operação de bombas nos diferentes regimes de vácuo
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UHV | HV | MV | LV
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Alguns tipos de bombas:
➢ Bomba Mecânica Rotativa (LV e MV)▪ Vácuo primário
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Alguns tipos de bombas:
➢ Bomba Roots (MV)▪ Alta vazão
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Alguns tipos de bombas:
➢ Bomba Difusora (HV)▪ Ótimo custo benefício
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Alguns tipos de bombas:
➢ Turbo Molecular (HV e UHV)▪ Alta eficiência e livre de contaminação
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Alguns tipos de bombas:
➢ Iônica ou Criogênica (UHV)▪ Baixíssimas pressões (baixa manutenção)
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Alguns tipos de bombas:
➢ Iônica ou Criogênica (UHV)▪ Baixíssimas pressões (baixa manutenção)
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Vasão de gases (ou fluxo de massa)
Diferença de pressão (Pa ou Torr)Condutância (l/s)Vasão (Pa.l/s ou Torr.l/s)
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Continuidade
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Vasão em válvula de abertura A
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Condutância de tubos longos (L >> f)
➢ Regime Molecular
➢ Regime Fluido
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Pressão Residual (pi)
➢ Se:▪ válvula da bomba (C2) totalmente aberta
▪ fecha fluxo de gases (QS = 0)
Vazamento e dessorção das paredes
Velocidade de bombeamento da bomba (l/s)
Na condição de equilíbrio e se C1 não for exageradamente grande:p2 = p1 = p0 = pi = pressão residual
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Pressão Residual (pi)
➢ Se:▪ Fecha parcialmente válvula da bomba (C2)
▪ Admite gases de trabalho (QS)
Pureza final do filme
Conclusão:• Aumentar p2 (pressão de trabalho) aumentando QS (fluxo dos gases de trabalho) aumenta pureza• Aumentar p2 fechando a válvula da bomba (C2) diminui pureza
Fechar C2 aumenta p2 mas também aumenta pi
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Retorno de vapor de óleo (Oil Backstreaming)
➢ Pressão de valor (pv) de óleo típico de bomba mecânica:▪ 10-6 Torr @ 25 C
▪ 10-3 Torr @ 85 C (temperatura de trabalho da bomba)
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Retorno de vapor de óleo (Oil Backstreaming)
➢ Pressão de valor (pv) de óleo típico de bomba mecânica:▪ 10-6 Torr @ 25 C
▪ 10-3 Torr @ 85 C (temp de trabalho da bomba)
➢ Soluções:▪ Trap
▪ Ventilação controlada
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Retorno de vapor de óleo (Oil Backstreaming)
➢ Pressão de valor (pv) de óleo típico de bomba mecânica:▪ 10-6 Torr @ 25 C
▪ 10-3 Torr @ 85 C (temp de trabalho da bomba)
➢ Soluções:▪ Trap
▪ Ventilação controlada
▪ Depende do regime:
o Bomba mecânica (fluido)
o Bomba difusora (molecular)
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Vazamento Virtual (Virtual Leak)
➢ Produzido por acúmulo de gás em armadilhas
➢ Solução: ▪ deixar orifícios de ventilação suficiente (Kn < 1) grandes
▪ evitar superfícies planas superpostas
▪ aquecer sistema (baking), ajuda a dessorver também
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Tipos e faixas de operação
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Princípios de operação
Pirani (LV – MV) Manômetro Capacitivo (MV) Ion Gauge (HV - UHV)
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LISTA 1:
➢ Cap 2: 1, 3, 5, 6, 9
➢ Cap 3: 3, 4, 5, 9,
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ASSUNTO: Evaporação (cap 4)
➢ Um material mantido abaixo de seu ponto de FUSÃO pode evaporar?
➢ O que é uma Célula de Efusão?
➢ Quais cuidados devemos ter ao evaporar um composto?
➢ O que mede uma Balança de Quartzo?
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